高性能石墨烯纖維.pdf

1、石墨烯纖維是由石墨烯沿軸向緊密有序排列而成的連續(xù)宏觀組裝材料，是近年來發(fā)展起來的一種新型碳質(zhì)纖維。石墨烯纖維具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、低密度等特性，已在輕質(zhì)導(dǎo)線、柔性儲能器件等方面展示了廣闊的應(yīng)用前景。然而目前其單絲制備規(guī)模較小，力學(xué)強(qiáng)度和導(dǎo)電性能遠(yuǎn)不能滿足人們對結(jié)構(gòu)功能一體化的需求，極大地限制了石墨烯纖維的應(yīng)用與發(fā)展。因此提高石墨烯纖維的力學(xué)和導(dǎo)電性能，發(fā)展宏量化制備技術(shù)，已成為石墨烯纖維研究領(lǐng)域的核心問題，這也是推進(jìn)石墨烯纖維結(jié)構(gòu)功能一體

2、化發(fā)展的關(guān)鍵。為此，本論文瞄準(zhǔn)石墨烯纖維的高性能化和規(guī)?；苽?，立足于纖維微納結(jié)構(gòu)調(diào)控及其與宏觀性能的關(guān)系，開展了系列的研究。主要內(nèi)容如下:
　　1.提出了“多尺度結(jié)構(gòu)缺陷控制”策略，通過拉伸誘導(dǎo)取向、纖維細(xì)旦化、高溫?zé)徇€原等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，調(diào)控從分子水平跨越到宏觀材料尺度的多級結(jié)構(gòu)缺陷，實現(xiàn)了高性能石墨烯纖維的制備，闡明了石墨烯纖維綜合性能與多級缺陷結(jié)構(gòu)的關(guān)系。石墨烯纖維拉伸強(qiáng)度和模量分別可達(dá)2.2 GPa和400 GPa，導(dǎo)電率

3、高達(dá)0.8 MS/m，并且具有高于銅的熔斷電流密度(23 GA/m2)，是目前石墨烯纖維所到達(dá)的最高水平。
　　2.自主設(shè)計并搭建了石墨烯纖維束絲示范型生產(chǎn)線，將實驗室單絲制備水平推進(jìn)到100束絲的連續(xù)制備水平，建立了完整的從石墨烯液晶到連續(xù)濕紡和熱處理的石墨烯纖維束絲制備體系，有助于推動石墨烯纖維的工程化發(fā)展。
　　3.提出“化學(xué)摻雜”策略，制備了電子給體及電子受體摻雜的石墨烯纖維系列，將其導(dǎo)電率提高到金屬水平，揭示了摻雜

4、分子通過增加載流子濃度來提升導(dǎo)電率的機(jī)理。其中鉀摻雜石墨烯纖維的導(dǎo)電率高達(dá)22 MS/m，高于鎳(15MS/m)，接近鋁(35 MS/m)。值得一提的是，其比導(dǎo)電率（導(dǎo)電率與密度的比值）約是鎳的8倍、銅的2倍，與鋁相當(dāng)。這一優(yōu)異性能使石墨烯纖維在輕質(zhì)導(dǎo)線、電動馬達(dá)、信號傳輸、能源儲存與轉(zhuǎn)化、電磁屏蔽等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價值?！盎瘜W(xué)摻雜”策略也為其他維度石墨烯宏觀材料導(dǎo)電性能的升級提供了新思路。
　　4.通過氣相插層反應(yīng)，實現(xiàn)了鈣插層